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控制误差论文范文

1.　基于PID调节器的闭环控制系统
1.1　比例（P）控制
1.2　积分（I）控制
1.3　微分（D）控制
2.　工业总线FIELDBUS和CAN协议
3.　变频器基本控制模型
4.　主从控制
4.1　刚性连接的主从控制
4.2　柔性连接的主从控制
5.　结语
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（武汉科孚德自动化有限公司,湖北武汉 430081）

摘要：文章首先介绍了PID调节闭环控制系统及工业现场总线协议,然后分别探讨了在不同类型负载下如何实现基于PID调节和现场总线协议的主从控制.

关键词：PID调节；闭环控制；现场总线协议；主从控制；负荷平衡

中图分类号：TP273 　文献标识码：A 文章编号：1009-2374 （2010）27-0059-03

0　引言

自20世纪80年代以来,随着电力电子技术、现代控制理论、计算机技术和微电子技术的发展,逐步形成了集多种高新技术于一身的现代电气传动技术.以全数字矢量控制传动装置,各种传感器和工业高性能计算机(或可编程逻辑控制器)为硬件载体,加上积累了上百年的对于不同控制对象,不同控制要求的不同控制思路,如今,对于不同问题的解决方法已趋于成熟和完善.本文将着重介绍在当今的硬件及网络条件下如何实现及最优化主从控制.

1.　基于PID调节器的闭环控制系统

闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环.闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈(Negative Feedback),若极性相同,则称为正反馈,一般闭环控制系统均采用负反馈,又称负反馈控制系统.闭环控制系统的例子很多.比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统,眼睛便是传感器,充当反馈,人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作.如果没有眼睛,就没有了反馈回路,也就成了一个开环控制系统.另例,当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净,并在洗净之后能自动切断电源,它就是一个闭环控制系统.

1.1　比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式.其控制器的输出与输入误差信号成比例关系.当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error).

1.2　积分（I）控制

在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系.对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Error).为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”.积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大.这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零.因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差.

1.3　微分（D）控制

在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系.

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳.其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化.解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零.这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调.所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性.

2.　工业总线FIELDBUS和CAN协议

Fieldbus即现场总线是80年代末、90年代初国际上发展形成的,用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络.它作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系.它不仅是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统.这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术,已经受到世界范围的关注,成为自动化技术发展的热点,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革.国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发.现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层,作为工厂设备级基础通讯网络,要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点.

CAN是控制网络Control Area Network的简称,最早由德国BOSCH公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信.其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准,得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持,已广泛应用在离散控制领域.

CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的,不过,其模型结构只有3层,只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层.其信号传输介质为双绞线,通信速率最高可达1Mbps/40m,直接传输距离最远可达10km/kbps,可挂接设备最多可达110个.CAN的信号传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个,因而传输时间短,受干扰的概率低.当节点严重错误时,具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系,使总线上的其它节点及其通信不受影响,具有较强的抗干扰能力.

CAN支持多主方式工作,网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息,支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据.它采用总线仲裁技术,当出现几个节点同时在网络上传输信息时,优先级高的节点可继续传输数据,而优先级低的节点则主动停止发送,从而避免了总线冲突.已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片,如Intel公司的82 52 7,Motorola公司的MC68HC05X4,Philips公司的82C2 50等.在工业自动化领域中有着广泛的应用.具有接口简单、编程方便、开发系统论文范文便宜等优点.

3.　变频器基本控制模型

在进入主从控制之前,让我们先来了解一下通用变频器的基本控制原理.如图1所示,通用变频器的基本控制原理,即通过PI调节器将上位机通过总线发送的速度参考值与速度传感器反馈回来的实际速度值进行比较,并输出转矩到电机模型中进行矢量控制,经过3/2坐标变换控制功率单元输出频率.图中A是力矩附加值,用于进行各种额外的力矩补偿；B是力矩限幅.

4.　主从控制

主从控制是现代工业电机拖动应用中的一个难点,多用于一些特殊机械的传动,比如双电机驱动的换辊小车,上卷、卸卷小车,双电机同轴驱动的轧机辅助压下,皮带机以及各种高温镀料运输小车(多电机驱动).通常的情形为,两台多台电机为同一机械传动.其控制难点在于,如何使这多台电机同步运行,并平摊负荷,实现负荷平衡.

主从控制分为刚性连接的主从控制和非刚性连接的主从控制.其控制方法根据不同的工况而异.

4.1　刚性连接的主从控制

如图2所示,由于刚性连接的缘故,两台(或多台)电机的转速是严格一致的,所以力矩的分配是负荷平衡的关键.

方案1：在保证速度给定值,启动停止命令同步的条件下,使其中一台电机为主机(Master),另外一台(或多台)为从机.将主机传动装置采集到的力矩反馈值以点数(points)的形式通过FIELDBUS传递到上位机的数据接收模块并转换为相应的数值,此数值可连接到人机界面上供操作人员观测负荷.并同时发送到上位机比例调节器输入端作为参考值,与从机的力矩反馈值进行比较,最后通过比例调节器输出负荷平衡补偿调节量加到从机的力矩参考值.注意,这里需要申明的一点是,速度调节器输出的是力矩给定值,所以补偿量和从机的速度参考值是可以叠加的.当从机出的力矩小于主机时,补偿量和参考值方向一致,增大电机力矩,反之则减小力矩,最终达到负荷平衡的控制目的.

而调节器只投入了比例环节则兼顾了实用性和可调性.比例调节是有差调节,若投入了积分环节,消除了稳态误差,则在某些极端工况下,难免从机会电流过大而造成不必要的停车跳闸.此调节亦可通过调整比例环节的参数设定来控制其调节强弱,最终使系统最优化.

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当然,上一段中所描述的方案(在上位机中完成比例调节)仅仅只是很多做法中的一种,这样做的好处是方便调节,统一数据调配,减少调试量；缺点是受到网络延时的限制,补偿调节速率较慢.

方案2：与方案1原理相同,区别是不通过PLC,利用CAN协议支持网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息,支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据的特点,主从装置之间直接传递主装置的力矩计算值.比例调节则利用从装置内部的比例模块进行.在这里.可以将比例调节器的使能端定义到从装置的控制字中,由PLC来控制主从控制的投入执行与取消执行.